Наибольшее влияние на развитие общих осадок могут оказать осадки расструктуривания
(Sрасстр.), вызванные нарушением структуры грунтов основания при отрывке
котлованов и устройстве фундаментов.
К причинам развития неравномерных осадок расструктуривания грунтов основания относятся:
- Метеорологические факторы.
- Грунтовые воды.
- Динамические воздействия.
- Грубые ошибки строителей.
Рассмотрим эти причины подробнее.
Метеорологические факторы
а) действие мороза (замерзание и оттаивание, пучение)
Замерзая, а затем, оттаивая, грунт превращается в разжиженную массу и резко снижает
свои прочностные характеристики. В результате возникает вероятность выпора грунта
с развитием поверхностей скольжения и значительных неравномерных деформаций.
Оттаивание промороженного основания, как правило, происходит также неравномерно
(сначала с южной стороны, затем с северной), что способствует развитию неравномерных
осадок (см. рисунок).
Схема нарушения структуры грунта основания при промерзании за счёт сил пучения и
при оттаивании за счёт снижения прочностных свойств из-за обильного водонасыщения
основания.
б) увлажнение грунта (осадки)
Если котлован разрабатывается частями, то могут возникнуть условия, когда часть
грунтов основания будет замочена (атмосферные осадки), что неизбежно вызовет изменение
деформационных характеристик основания и может привести к развитию неравномерных
осадок. (см. рисунок).
Схема возможного нарушения структуры грунта основания котлована вследствие неравномерного
увлажнения атмосферными водами.
Поэтому при отрывке котлована необходимо всегда иметь наготове насос и приступать
к осушению немедленно. Кроме этого, следует оставлять недобор грунта на дне котлована.
в) высыхание грунта (действие солнечной радиации)
Интенсивное высыхание грунта основания в момент производства работ по откопке котлована
характерно для южных районов Средней Азии, Индии, Африки. В этом случае активная
солнечная радиация вызывает явления усадки естественного основании (резкое снижение
влажности) с образованием трещин глубиной до 1…2 м (см. рисунок). Разрушенная структура
грунтов основания создаёт условия развития неравномерности осадки.
Схема разрушения первоначальной структуры грунтов основания, вследствие резкого
интенсивного снижения влажности (высыхания грунта).
Грунтовые воды
а) Гидростатическое действие воды
Если производится выполнение земляных работ по устройству котлована в глинистом
грунте при высоком уровне грунтовых вод (У.Г.В.) и хорошо фильтрующем подстилающем
слое (песок), то при определённых условиях от действия гидростатического давления
воды возможно поднятие (расструктуривание) днища котлована. В экстремальных условиях
это явление может привести к прорыву воды в котлован (см. рисунок).
Схема влияния гидростатического действия воды на изменение структуры основания дна
котлована при производстве земляных работ.
В принятых обозначениях (см. рисунок) если Нgw>hgгр – происходит
поднятие основания – возможен прорыв воды в котлован. Аналогичное влияние могут
оказать и обычные воды при наличии подстилающего слоя в виде ленточной глины, поскольку
коэффициент фильтрации такой глины в горизонтальном направлении в 50…100 раз больше,
чем в горизонтальном направлении
.
Снять негативное воздействие гидростатического давления воды на изменение структуры
основания можно искусственным понижением У.Г.В.
б) Гидродинамическое действие воды
Производство земляных работ по откопке котлована в песчаных грунтах и высоком уровне
грунтовых вод неизбежно требует крепление стен котлована, как правило, с использованием
шпунтового ограждения. В этом случае, производя водоотлив поступающей воды в котлован,
будет создаваться гидродинамическое давление (см. рисунок).
Схема развития гидродинамического давления воды при водопонижении в процессе откопки
котлована в песчаных грунтах.
Гидродинамическое давление при откопке котлованов в песчаных (сыпучих) грунтах действует
вверх и, преодолевая силы тяжести песка, производит его разжижение. Необходимо
выполнять котлован в шпунтовом ограждении, при этом размеры шпунта должны соответствовать
соотношению В>А - для уменьшения градиента давления (см. рисунок), а также осушение
из зумфа (приямка). При наличии в основании слоя водоупора (шпунт необходимо погружать
в водоупор).
в) Суффозия химическая и механическая (вымывание грунта в котлован вместе с водой)
Поступление воды в котлован и её постоянное удаление часто приводит к образованию
явления суффозии (вынос минеральных частиц грунта потоками воды). Суффозия может
быть как механическая (см. рисунок), так и химическая. Последняя связана с наличием
растворимых солей и встречается очень редко.
Схема нарушения структуры грунта основания котлована вследствие поступления в него
грунтовой воды с выносом минеральных частиц (механическая суффозия).
При механической суффозии могут образовываться «вулканчики» – вымывание грунта,
таким образом, нарушается структура основания. В практике строительства были отмечены
случаи, когда диаметр «вулканчика» составлял до 20 м и высотой до 70 см.
Фотография проявления механической суффозии при поступлении грунтовых вод в котлован
через отдельные зазоры свайного ограждения стен котлована.
В качестве примера на представленной выше фотографии показана суффозия пылеватого
песка через отдельные зазоры свайного ограждения созданного котлована.
Избежать проявления подобных негативных явлений, вызывающих расструктуривание оснований,
можно добиться существенным снижением поступления воды в котлован, вплоть до её
полного прекращения.
Динамические воздействия
а) Перемещение тяжелых механизмов по дну котлована (опасно при структурно-слабых
грунтах)
Во время производства земляных работ при строительстве используются тяжёлые механизмы,
вызывающие во время своей работы динамические воздействия. Такие воздействия приводят
к нарушению структуры грунта основания (обычно под гусеницами экскаваторов, бульдозеров
на глубину до 30 см). Необходимо оставлять недобор грунта на дне котлована и снимать
этот нарушенный грунт другими способами, непосредственно перед началом устройства
фундаментов.
Схема разрушения структуры слоёв грунта днища котлована при перемещении по нему
тяжёлой строительной техники (динамические воздействия).
б) Удары тяжёлых механизмов по дну котлована, разработка грунта динамическими методами
Выполнение земляных работ может производиться экскаваторами - драглайнами, которые
находятся на бровке котлована и, сбрасывая свой ковш с высоты нескольких метров,
разрабатывают грунт. В этом случае при ударе ковша драглайна об ленточные глины
она может разрушаться на глубину 20…30 см.
Другой негативный фактор, приводящий к нарушению структуры грунтов основания – это
использование при выполнении земляных работ динамического метода в виде воздействия
компрессора (см. рисунок).
Схема динамических воздействий, приводящих к нарушению структуры грунта.
Наиболее чувствительны к динамическим воздействиям кембрийские глины, которые могут
резко изменить свою структуру. Это свойство данных глин демонстрируется на правой
схеме выше приведённого рисунка, где показано, что под действием динамического воздействия
металлический стержень свободно погружается в грунт под действием собственного веса
и веса вибратора.
в) Разрыхление мёрзлого грунта (клин и шар-бабой – динамическим воздействием)
Влияние данного фактора рассмотрим на примере, изображённом на рисунке.
Схема образования разрушенной структуры грунта основания под частью здания при производстве
земляных работ в зимнее время.
При разработке котлована зимой для рыхления грунта использовали клин-бабу, а в 5
м от электрического кабеля разработку вели вручную с применением отбойного молотка
(требования техники безопасности).
В результате уже при строительстве здание получило крен в сторону расструктуренного
(изменившего структуру) грунта (при надстройке только 3-х этажей горизонтальные
отклонения составили 21 см. В конечном итоге здание пришлось разобрать и возводить
заново с использованием других фундаментов).
г) Динамические воздействия при забивке свай
Рассмотрим данное явление на примере реконструкции Кировского театра оперы и балета
в Ленинграде в 1960 год (ныне Мариинский театр г. Санкт-Петербурга), представленный
на рисунке.
Схема появления осадочных деформаций в конструкциях здания Мариинского театра в
Санкт-Петербурге (60е годы прошлого столетия). Причина деформаций - нарушение структуры
грунта при выполнении свай усиления.
При строительстве углубления сцены забивали 24 метровые сваи. Образовались трещины
размером 2…3 см – результат динамического воздействия при забивке свай. Перешли
на правую половину – стали опускать железобетонные сваи оболочки вдавливанием. Вынимали
грунт из оболочки и заполнили её бетоном, но трещины продолжали развиваться. При
вдавливании оболочек происходило выдавливание грунта, т.е. его перемятие – своего
рода динамическое воздействие. Пришлось срочно делать усиление здания металлическими
тяжами.
Современными строительными нормами для реконструкции зданий, динамические воздействия
от забивки свай не допустимы.
Грубые ошибки строителей
а) Перебор грунта
Если при производстве земляных работ произошла строительная ошибка в виде перебора
грунта (откопка котлована ниже планируемой отметки), то обычно выбранный лишний
объём грунта засыпается с уплотнением (см. рисунок).
Схема возможного нарушения структуры грунтов основания вследствие строительной ошибки
(перебор грунта) при производстве земляных работ.
Однако необходимо учесть, что если даже gупл.=g0 - всё равно
грунт потеряет структурную первоначальную прочность и, следовательно, возникнет
неравномерная осадка.
б) Обводнение котлована производственными водами (возможно при аварии водопровода
и т.п.)
Такие производственные ошибки, безусловно, нарушают структуру грунта и потому недопустимы.